靜息態fMRI觀察輕、中度阿爾茨海默病患者腦區功能連接異常

劉怡秋，孫 曼，陳元園，付修威，馬春潮，倪紅艷

(1.天津醫科大學一中心臨床學院，天津 300070；2.天津醫院放射科，天津 300211；3.天津大學神經工程與康復實驗室，天津 300072；4.天津市第一中心醫院神經內科，5.放射科，天津 300192)

阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)即老年癡呆癥，約占全部癡呆癥患者的60%～80%[1]，為漸進性神經退行性疾病，早期以記憶障礙為特征，隨病程進展，認知等功能發生全面不可逆的損害。AD癡呆期分為輕、中、重度三個等級[2]，目前關于影像學鑒別輕、中度AD的研究尚屬少見。神經影像學研究認為AD是一種“失連接相關綜合征”[3]。靜息態fMRI腦功能連接技術可揭示認知損害下患者潛在的神經解剖與神經病理生理的異常[3-4]，已為早期AD患者腦網絡連接以及后扣帶回、海馬、杏仁核等腦區間的失連接提供了豐富證據[5-6]。本研究分析輕、中度AD患者腦區功能連接改變及其差異，為研究AD進展的病理生理機制提供新的視角。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集2014年12月—2017年12月于本院神經內科就診的AD患者。納入標準：①符合2011版美國國立神經病語言障礙卒中研究所和AD相關疾病協會(NINCDS-ADRDA)“很可能AD”的診斷標準[7]；②臨床癡呆評估量表(clinical dementia rating, CDR)為1或2分；排除標準：①其他類型癡呆(血管性癡呆、額顳葉癡呆等)；②服用改善認知功能藥物治療史。以本院健康體檢者為健康對照(normal control, NC)組，年齡性別與AD患者相匹配。所有受試者均無MR檢查禁忌，右利手，無腦部外傷史、腦器質性疾病史、神經系統病史、精神疾病現病史及既往史。最終入組受試者75人，包括輕度AD組(CDR=1)、中度AD組(CDR=2)及NC組(CDR=0)各25人。所有受試者臨床信息和簡易智能狀態檢查表(mini-mental state examination, MMSE)資料見表1。本研究經醫院倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。

表1 3組臨床資料(n=25)

1.2儀器與方法 采用Siemens Magnetom Trio Tim 3.0T系統，32通道頭相控陣表面線圈。掃描期間囑受試者閉目，保持清醒，無思維活動。固定頭部，采用EPI序列獲取靜息態fMRI，TR 2 000 ms，TE 31.4 ms，翻轉角90°，FOV 230 mm×230 mm，矩陣96×96，層厚2.4 mm，體素2.4 mm×2.4 mm×2.4 mm，無層間隔，采用同時多層采集技術(simultaneous multi-slice, SMS)，加速因子2，采集軸位圖像共54層，200個時間點，掃描時間6 min 48 s。采用3D T1W (MP-RAGE序列)矢狀位掃描獲取高分辨率結構像，TR 1 900 ms，TE 2.5 ms，TI 900 ms，翻轉角90°，FOV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚 1.0 mm，無間隔，體素1 mm×1 mm×1 mm，采集矢狀位圖像176層。

1.3數據預處理 采用Data Processing Assistant for Resting-State fMRI toolbox(http://rfmri.org/DPARSF)軟件行圖像預處理。剔除前10幀功能圖像，并進行時間校正、頭動校正(頭部平動位移超過2 mm或角度旋轉超過2°[8])。經比較，3組頭動差異無統計學意義(單因素方差分析，P=0.40)后，遂將T1數據通過灰質、白質和腦脊液分割，并配準到蒙特利爾神經科學研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)模板標準空間，重采樣到3 mm×3 mm×3 mm大小的體素，同時回歸去除線性漂移、頭動、白質以及腦脊液平均全局信號。對所有時間信號進行帶通濾波(0.01～0.08 Hz)。最后采用6 mm半高全寬高斯核進行空間平滑。

1.4構建全腦功能連接 基于靜息態fMRI數據，利用自動解剖標定模板(automated anatomical labeling, AAL),將全腦劃分為116個腦區，作為功能連接節點。提取每個節點腦區所包含體素的時間序列平均值，通過計算每對腦區間時間序列的Pearson相關系數(r值)，應用Fisherr-to-z變換將r值轉化為z值，獲得全腦功能連接的鄰接矩陣。對受試者全腦功能連接的鄰接矩陣行獨立樣本t檢驗，采用FDR校正獲得有意義的功能連接。

1.5統計學分析 采用SPSS 22.0統計分析軟件。正態分布資料以±s表示，以單因素方差分析3組間年齡、教育年限、MMSE)評分差異，組間兩兩比較采用LSD(方差齊時)或Dunnett'sT3(方差不齊時)檢驗。3組性別比較采用χ2檢驗。采用Matlab軟件，以單因素方差分析比較3組靜息態fMRI腦區功能連接對數據的差異，對差異有統計學意義的腦區連接對采用雙樣本t檢驗比較任意2組間功能連接的差異。P<0.05(FDR校正)為差異有統計學意義。

2 結果

3組受試者性別、年齡、受教育年限差異均無統計學意義(P均>0.05)，見表1；3組間MMSE評分差異有統計學意義(P<0.001)，組間兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)。

3組后扣帶回、海馬、小腦等相關腦功能連接差異有統計學意義。圖1為三維視圖，顯示單因素方差分析差異有統計學意義的腦區連接對以及雙樣本t檢驗兩兩比較的結果。

圖1 116個腦區有功能連接差異的腦區連接對(P<0.05，FDR校正) A.3組單因素方差分析功能連接有差異的腦區連接對; B.輕度AD組與NC組比較的功能連接差異; C.中度AD組與對照組比較存在功能連接差異; D.中度AD主要與輕度AD組比較存在功能連接差異 (顏色相同的節點表示分布于相同的腦網絡；SMN：感覺運動網絡；OCC：枕區網絡；DMN：默認模式網絡；CON：帶狀蓋系統；FPN：額頂網絡；CER小腦網絡)

與輕度AD組比較，中度AD組小腦內小腦蚓部間，小腦蚓部與小腦腳、杏仁核，后扣帶回與顳部海馬、眶額中回等腦區功能連接減低，雙側海馬間、后扣帶回與頂葉內側眶部額上回等腦區功能連接增加(表2)；與NC組比較，輕度AD組雙側海馬、小腦蚓部間連接增加，后扣帶回與顳部海馬、眶部額中回、背外側額上回，海馬與顳葉杏仁核等腦區功能連接減低(表3)。相比NC組，中度AD組小腦蚓部，小腦腳，后扣帶回與顳部海馬、眶部額中回、部分額-顳部等腦區功能連接減低，后扣帶回與內側眶部額上回、雙側海馬等腦區功能連接增加(表4)。

表2 中度AD組與輕度AD組雙樣本t檢驗比較有差異的腦區連接對

3 討論

表3 輕度AD組與NC組雙樣本t檢驗比較有差異的腦區連接對

表4 中度AD組與NC組雙樣本t檢驗比較有差異的腦區連接對

本研究證實輕、中度AD患者全腦功能連接存在差異。與輕度AD組比較，中度AD組小腦內部功能連接減低，包括小腦蚓部、小腦腳及小腦腳區與杏仁核連接減低；而與NC組比較，輕度AD組小腦蚓部之間功能連接增加。既往研究[9-10]發現AD患者和AD疾病小鼠模型的小腦存在與大腦類似的異常淀粉蛋白沉積改變。Franzmeier等[11]認為AD病理改變與腦功能連接異常有關聯；Sang等[12]推測小腦本身不具特定的某一認知功能，但通過聯合接受大腦皮層信息而參與對一系列皮層腦區信息的特定處理，進而發揮對認知、情感等調控作用。本研究發現中度AD組小腦內部、尤其小腦蚓部間功能連接局部減低更明顯，推測其小腦、尤其是小腦蚓部較少參與認知過程的加工處理，即對高級認知功能信息的處理功能發生異常，提示中度AD患者存在小腦功能連接損害。

本研究發現輕度、中度AD患者海馬的連接增加，輕度AD海馬與顳部杏仁核連接減低。既往研究[13]認為AD患者海馬體萎縮最嚴重，與海馬有腦功能連接的腦區部分體積也有一定程度萎縮。AD患者雙側海馬體積萎縮，海馬間功能連接增加，以代償認知功能減退；但海馬與全局的功能連接減低[14]。本研究發現中度AD患者雙側海馬的同步活性持續增加，推測為對患者記憶功能減退的代償。

本研究發現，與NC組比較，輕、中度AD組后扣帶回與顳葉眶部額中回、海馬的連接均減低，中度AD組伴后扣帶回與部分額-顳部連接減低。后扣帶是默認網絡的重要中心節點。AD患者默認網絡功能連接下降的區域中，后扣帶回的功能連接減低最為顯著，而后扣帶回功能連接減低與患者記憶減低嚴重程度成正比[5,15]。本研究還發現中度AD患者后扣帶回與內側眶部額上回連接增加，推測其同時存在內側眶部額上回連接環路的微弱代償。

綜上所述，與輕度AD比較，中度AD患者主要表現為小腦內功能連接減低以及海馬、后扣帶等相關功能連接異常改變。小腦功能連接異常在AD進程中起著較為重要的作用。